Какими свойствами обладает вискоза

Виско́зное волокно́ (от латинского viscosus — клейкий) — искусственное волокно, получаемое переработкой природной целлюлозы. Производится в виде текстильных и кордовых нитей и штапельного волокна.

Вискозное волокно является одним из первых искусственных волокон, нашедших практическое применение: процесс производства вискозного волокна был разработан в конце XIX века и с минимальными модификациями применяется по сей день. Процесс получения вискозного волокна состоит из следующих стадий:

• Получение из целлюлозы прядильного раствора — вискозы (ксантогената целлюлозы).
• Формование мокрым методом нити продавливанием вискозы через фильеры в кислотную ванну с регенерацией целлюлозы.
• Отделка и сушка.

Вискозное волокно легко окрашивается красителями для натуральных волокон (хлопка, льна), гигроскопично, что обусловливает высокие гигиенические качества ткани из него, и, благодаря доступности исходного сырья и реактивов, используемых в производстве, относительно недорого.

К недостаткам вискозного волокна относятся лёгкая сминаемость, значительная потеря прочности в мокром состоянии и недостаточная устойчивость к истиранию. Эти недостатки в той или иной степени могут быть устранены последующими модификациями и обработкой.

История[править | править код]

Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в её концентрированный медноаммиачный (то есть содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж. Мерсером около 1844 года. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медноаммиачного волокна, приписывается Е. Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие — заслуга М. Крамера и И. Шлоссбергера (1858).
И только в 1892 году Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало «натронную целлюлозу», а затем — дисульфидом углерода (CS2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого «прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась плёнка, названная целлофаном.
Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912 год, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.

30 сентября 1902 года был запатентован искусственный шёлк (вискоза).

В СССР первые производства вискозных волокон начали появляться в 1927 году, в городах Мытищи, Ленинграде, Могилёве и Клину[1]. Проектирование предприятий велось проектным институтом ГИПРОИВ[2].

Ассортимент вискозных волокон[править | править код]

В зависимости от назначения ВВ производятся в виде непрерывных нитей (текстильных и технических, например, особо прочных кордных) или штапельного волокна различного типа: обычной прочности, высокопрочного, извитого и полинозного (хлопкоподобного). Особую группу составляют модифицированные ВВ специального назначения: повышенной хемостойкости, ионообменные, бактерицидные, кровеостанавливающие и др., а также вискозная плёнка.

Строение и свойства вискозного волокна[править | править код]

Вискозное волокно представляет искусственное химическое волокно из гидратцеллюлозы, то есть одной из структурных модификаций целлюлозы волокна из раствора. Гидратцеллюлоза отличается от природной целлюлозы повышенной гигроскопичностью, сорбционными свойствами и большей способностью к гидролизу, этерификации и окислению. Средняя степень полимеризации гидратцеллюлозы в вискозном волокне колеблется от 300 до 600, что соответствует молекулярной массе 49000—98000. При формовании вискозного волокна в нем образуются надмолекулярные структуры, тип которых зависит от условий формования (характеристик вискозной прядильной массы, состава осадительной ванны и др.). Физико-механические свойства вискозных волокон (ВВ) в значительной степени определяются структурой их наружной оболочки, в которой гидрат-целлюлоза содержит значительное количество поперечных связей, что придаёт волокнам повышенную прочность. Плотность ВВ составляет около 1,5 т/м.[уточнить] ВВ не термопластичны и могут кратковременно использоваться без снижения механических свойств при температуре 100—120 °C. Устойчивы к действию воды и неполярных органических растворителей (бензин, бензол), в которых не набухают. При действии концентрированных минеральных кислот при нормальной температуре и разбавленных кислот при нагревании, а также щелочей в присутствии кислорода воздуха подвергаются деструкции. Сильно набухают в разбавленных растворах щелочей и растворяются в медноаммиачном растворе. ВВ неустойчивы к действию микроорганизмов, которые вызывают их деструкцию.

Получение[править | править код]

Основная технология[править | править код]

Производство ВВ состоит из двух последовательных стадий: получение прядильной массы — вискозы и формование волокна. В качестве сырья используется древесная целлюлоза, содержащая 95—99 % высокомолекулярной волокнообразующей фракции со степенью полимеризации 800—1100.

Получение вискозы[править | править код]

Получение вискозы включает следующие операции:

• Выделение целлюлозы из древесины. Поскольку в древесине на целлюлозу приходится лишь половина массы, сначала целлюлозу извлекают. Для этого древесину помещают в раствор гидросульфита кальция и варят под давлением в закрытых котлах в течение 24 часов. При этом разрушаются связи между волоконцами целлюлозы. Затем к целлюлозе добавляют воду и наносят её на конвейер. После этого её сушат и режут на листы. Получается сульфитная целлюлоза, которая идёт как на производство бумаги, так и на производство вискозы[3].
• Обработка целлюлозы 20%-м раствором гидроксида натрия (мерсеризация) в течение 5—115 минут при температуре 45—60° С. При этом образуется аддитивное соединение целлюлозы с щелочью: (щелочная целлюлоза) (а) и алкоголяты целлюлозы (б). Одновременно с реакциями (а) и (б) при мерсеризации происходит набухание целлюлозы и растворение гемицеллюлоз, что способствует диффузии этерифицирующего агента внутрь волокна при последующем ксантогенировании щелочной целлюлозы.
• Отжим суспензии для удаления избытка раствора гидроксида натрия на отжимном прессе до степени отжима (отношение масс отжатой щелочной целлюлозы и суспензии) 0,33-0,36.
• Измельчение отжатой щелочной целлюлозы.
• Окислительная деструкция (предсозревание) щелочной целлюлозы за счёт окисления её кислородом воздуха на транспортере или в специальных аппаратах в течение 1,5 — 2 часов при температуре 50 — 60 °C. В процессе предсозревания степень полимеризации целлюлозы снижается до 400—600.
• Ксантогенирование. Процесс ксантогенирования заключается в обработке щелочной целлюлозы сероуглеродом, при этом образуется новое химическое соединение — ксантогенат целлюлозы, способный раствориться в разбавленном растворе едкого натра.
• Перевод целлюлозы в раствор, получение вискозы. В результате обработки целлюлозы концентрированным раствором гидроксида натрия и сероуглеродом на предыдущих стадиях она приобретает способность переходить в раствор, необходимую для формования волокна. Целлюлозу растворяют в 4%-м растворе гидроксида натрия и выдерживают в течение нескольких суток, в результате чего она «созревает» — получается вискоза[3].

Ксантогенирование щелочной целлюлозы осуществляется в герметически закрывающихся аппаратах периодического действия — ксантогенаторах. Ксантогенатор снабжен охлаждающей рубашкой, внутри него имеется горизонтальная мешалка, на корпусе загрузочные и выгрузочные люки, предохранительные клапаны. Подведены коммуникации для сероуглерода, воды, щелочи, азота, отсоса паров сероуглерода и создания вакуума.

В ксантогенатор загружается 2200 кг щелочной целлюлозы с помощью пневмотранспорта из бункер-весов. После загрузки щелочная целлюлоза доводится до начальной температуры ксантогенирования (18…22)°С ± 0,5 °C путём подачи в рубашку ксантогенатора летом переохлаждённой, а зимой — речной воды. По достижении начальной температуры ксантогенирования в ксантогенаторе подается сероуглерод в количестве 30…36 % массы альфа-целлюлозы.

Начало подачи сероуглерода считается началом процесса ксантогенирования, который продолжается 60…75 мин. Когда процесс ксантогенирования закончен, в ксантогенатор через счётчик в количестве, определённом расчётом, подается растворительная щелочь, охлаждённая до 5±1 °C. Из расчетного количества 1000…1500 л растворительной щелочи оставляется для промывки ксантогенатора после выгрузки.

Формование волокна[править | править код]

После получения вискозы производится формование волокна. Для этого в цехе прядения вискоза фильтруется и пропускается через фильеры — металлические колпачки со множеством мелких отверстий, поступая в осадительную ванну, например, с серной кислотой, где ксантогенат, который был нужен для перевода целлюлозы в раствор, подвергается гидролизу и вновь образуется целлюлоза, но уже в виде длинных волоконец. Волоконца от одной фильеры соединяются в одну нить каким-либо способом. Для получения штапельного волокна нити разрезают на части небольшой длины[3].

Технология получения вискозного волокна полунепрерывным способом[править | править код]

Совершенно иная возможность получения вискозных текстильных нитей тонкого ассортимента показана путём использования полунепрерывного принципа, реализующего высокоскоростное формование по мокрому способу.

Другие технологии получения вискозного волокна[править | править код]

Лиоцелл[править | править код]

Получение вискозных волокон (лиоцелл) стало возможным на основе процессов прямого растворения целлюлозы в N-метил-морфолин-N-оксиде (NMMO) [4][5].

Производство вискозных волокон по ММО-процессу на основе карбамата целлюлозы в промышленном масштабе началось в 1992 году фирмой «Courtaulds», Великобритания, которая произвела первые 18 тыс. тонн этого волокна. Готовая гидратцеллюлоза вышла на рынок под разными именами, присвоенными ей компаниями — владельцами брендов: лиоцелл (lyocell) или лайоцелл в английском произнесении, ньюцел (newcell), тенсел (tencel), орцелл (orcell).

Технологический процесс получения вискозных волокон по ММО-методу состоит из следующих основных стадий[6]:

1. Подготовка целлюлозы (дробление и получение пульпы или порошка в зависимости от технологии).
2. Добавление к пульпе или порошку целлюлозы метилморфолиноксида (ММО).
3. Смешение в экструдере с подогревом до 100 °C.
4. Подача раствора в осадительную ванну с последующей окраской и сушкой.

Достоинства этого процесса и полученного материала:

• повышение прочности во влажном состоянии;
• совместимость со всем спектром натуральных и синтетических волокон;
• хорошая и стабильная окрашиваемость волокна, особый блеск в результате окраски;
• экологически безопасная технология производства;
• надежность в носке материалов на основе этого волокна;
• в равной степени эффективное использование при производстве тканых и нетканых материалов;
• высокие потребительские свойства, аналогичные свойствам хлопковолокна, и даже превышающие их по прочности, качеству прокраса и поверхностным эффектам;
• тактильный эффект натурального шелка, притом, что это волокно более гигроскопично, чем натуральный шелк.

К недостаткам следует отнести:

• повышенную фибриллизацию волокон, которая удаляется в основном формальдегидными агентами, что не всегда соответствует санитарно-гигиеническим нормам, с другой стороны, снижение фибриллизации механическим путём или с помощью энзимной обработки повышает себестоимость волокон;
• дороговизну лицензий;
• высокую стоимость готового волокна.

Сиблон[править | править код]

Сиблон — вискозное высокомодульное волокно (ВВМ), усовершенствованная вискоза, разработка ВНИИИВпроект. Сиблон был изобретён в 1970-х годах и производился на комбинате «Сибволокно» в городе Зеленогорск (Красноярский край) до начала 2000-х годов из древесины хвойных пород. Сиблон примерно в полтора раза прочнее по сравнению с вискозой, он более гигроскопичный и устойчивый к щелочам, ткани из сиблона меньше садятся и мнутся[7].

Применение[править | править код]

ВВ имеют хороший внешний вид, легко окрашиваются, обладают лучшими по сравнению с синтетическими волокнами гигиеническими качествами, отличаются достаточно высокими прочностными и усталостными характеристиками, относительно дешевы. Вследствие этого ВВ широко используется для производства текстильных тканей народного потребления и широкого ассортимента технических изделий. Вискозная плёнка (целлофан) обладает высокой паро- и влагопроницаемостью, устойчива к действию жиров и масел, вследствие чего используется в качестве упаковочного материала.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Радишевский, М. Б., Калачева, А. В., Серков, А. Т., Киселева Н. О. Полунепрерывный способ производства вискозных текстильных нитей. — Химические волокна. — № 6, 2003. — С. 15-17.